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圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2  智能充放電電源主電路

(2)  控制電路
    以單片機(jī)為核心的充放電電源控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。與一般的充電機(jī)相比，它能充分發(fā)揮單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)修改程序改變充電方式，不斷優(yōu)化充電算法；還可以對(duì)不同的電池、不同的使用階段采用自適應(yīng)控制技術(shù)，使應(yīng)用范圍更加廣泛。在硬件結(jié)構(gòu)上，充放電參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元、單片機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制電路以及晶閘管觸發(fā)電路是保證充放電控制算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用Intel 80C196單片機(jī)作為主控單元，以鎖相環(huán)PLL為基本控制原理的CA6100晶閘管通用觸發(fā)板作為中間緩沖環(huán)節(jié)，完成單個(gè)節(jié)點(diǎn)充放電電源的智能控制。

圖3  智能充放電電源控制框圖

 

①  單片機(jī)控制電路
    單片機(jī)控制電路以INTEL80C196KC為核心，包括現(xiàn)場(chǎng)充放電參數(shù)檢測(cè)及A/D轉(zhuǎn)換單元、總線(xiàn)通信單元、鍵盤(pán)、液晶顯示報(bào)警單元、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)單元等。現(xiàn)場(chǎng)采集的蓄電池充放電電壓、電流、溫度等模擬量經(jīng)緩沖、隔離電路后，進(jìn)入80C196KC的A/D轉(zhuǎn)換口，由單片機(jī)定時(shí)采樣并完成A/D轉(zhuǎn)換；單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較和數(shù)字計(jì)算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經(jīng)隔離、整形、濾波處理后送出0~5V的調(diào)節(jié)信號(hào)給6100觸發(fā)板，從而實(shí)現(xiàn)晶閘管輸出脈沖移相范圍0~180°可調(diào)。
    現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)主要包括蓄電池組的充放電電壓、電流、蓄電池在充放電過(guò)程中的溫升等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，檢測(cè)的關(guān)鍵是處理好強(qiáng)弱電的隔離問(wèn)題，采用繼電器、霍爾傳感器、溫度繼電器等器件能夠較好地實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路的隔離，避免產(chǎn)生干擾和發(fā)生危險(xiǎn)；由于CAN總線(xiàn)是為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作而設(shè)計(jì)的一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，只用兩根導(dǎo)線(xiàn)，容易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，系統(tǒng)中筆者選擇CAN總線(xiàn)來(lái)構(gòu)成底層通信網(wǎng)絡(luò)，所以總線(xiàn)通信單元采用PHILIPS半導(dǎo)體公司的SJA1000獨(dú)立CAN控制器和PCA82C250CAN收發(fā)器；鍵盤(pán)和液晶顯示單元采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM320240ZK和簡(jiǎn)易鍵盤(pán)，用于顯示各智能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單元發(fā)送來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、選擇蓄電池充放電工作方式、向單片機(jī)發(fā)送調(diào)節(jié)控制命令并對(duì)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行故障診斷、鎖定和報(bào)警，通過(guò)鍵盤(pán)和液晶還可上、下、前、后翻屏查看監(jiān)控信息（充放電電源狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、充放電曲線(xiàn)等）和更改系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（電壓、電流閾值、溫度補(bǔ)償系數(shù)等）。

②  晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)
    有源逆變?nèi)菀装l(fā)生逆變顛覆，而造成逆變失敗的因素大多和觸發(fā)系統(tǒng)直接相關(guān)，晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)在蓄電池充放電電源中的作用很關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用CA6100晶閘管通用觸發(fā)板，其基本原理如圖4所示。該系統(tǒng)利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行相位跟蹤和控制，采用EDA工藝，將核心的邏輯控制單元如VCO、計(jì)數(shù)器、相序檢測(cè)器、鑒相器、脈沖邏輯控制電路等集成在一片ASIC芯片中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性；輸出脈沖具有高均衡對(duì)稱(chēng)性和強(qiáng)觸發(fā)特性。0～5V的直流輸入控制信號(hào)，通過(guò)緩沖放大后加入鎖相環(huán)路，能夠使輸出脈沖移相范圍在0~180°之間可調(diào)；另外該系統(tǒng)還具備一些輔助功能，如交流缺相自動(dòng)禁止、軟起停、快起停、相序自動(dòng)測(cè)控核對(duì)，不需同步變壓器，亦不需要附加連線(xiàn)，能夠自動(dòng)同步等。由于是強(qiáng)觸發(fā)、高抖度（>1A/μs），所以對(duì)六只晶閘管的一致性要求并不太高。實(shí)驗(yàn)表明，該觸發(fā)板觸發(fā)脈沖均勻、可靠性高、抗干擾性好，非常適合于充放電設(shè)備的控制。

圖4  CA6100觸發(fā)板原理框圖

3  軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的軟件由兩部分組成：上位機(jī)PC機(jī)軟件和節(jié)點(diǎn)單元軟件。PC機(jī)軟件在WINDOWS環(huán)境下用組態(tài)軟件產(chǎn)生友好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)讀取各節(jié)點(diǎn)單元所傳送的數(shù)據(jù)，拼裝后在畫(huà)面上顯示，通過(guò)畫(huà)面能及時(shí)了解各充放電電源的工作特性、工作狀態(tài)，對(duì)不符合要求的電源發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)處理，找出蓄電池組的最佳工作點(diǎn)，保證電源的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節(jié)點(diǎn)單元軟件包括自檢程序、多路A/D轉(zhuǎn)換濾波處理程序、智能調(diào)節(jié)控制程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，仿真調(diào)試脫機(jī)模擬后固化于EPROM內(nèi)。

4  常用充電方法分析

目前對(duì)蓄電池充電的方法基本分為常規(guī)充電法和快速充電法。

(1)  常規(guī)充電法
    一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)充電法有以下幾種：恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變蓄電池串聯(lián)電阻保持充電電流不變的充電方法，其控制方法簡(jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力隨著充電的進(jìn)行而下降，充電后期充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體嚴(yán)重。恒壓充電法是充電電源的電壓在整個(gè)充電過(guò)程中保持恒定，隨著蓄電池端電壓的升高電流逐漸減小，但存在充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大等問(wèn)題，容易造成蓄電池極板的彎曲，使電池報(bào)廢。階段充電法結(jié)合了恒流、恒壓充電的優(yōu)點(diǎn)，可以先恒流充電到預(yù)定值再改為恒壓充完剩余的過(guò)程，可以將析氣量大大減小，常用的有二階段、三階段充電法等。

(2)  快速充電法
    快速充電法近幾年有所發(fā)展，它是圍繞馬斯提出的最佳充電曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，比較流行的有脈沖式充電法、Reflex快速充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法、波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法等。快速充電法對(duì)于車(chē)載蓄電池等需要快速充電的場(chǎng)合有一定的現(xiàn)實(shí)意義，但實(shí)際上最佳充電曲線(xiàn)也是受很多因素影響的非線(xiàn)性曲線(xiàn)，有很大的不確定性，在實(shí)際工作中，要找到這條充電曲線(xiàn)是很困難的，即便找到了也會(huì)因?yàn)樾铍姵卦谑褂眠^(guò)程中的特性不斷發(fā)生變化而不適應(yīng)，所以依據(jù)這條曲線(xiàn)作為數(shù)學(xué)模型的充電控制相對(duì)復(fù)雜。

(3)  自適應(yīng)智能充電法

圖5  自適應(yīng)智能充電曲線(xiàn)